2. ULUSLARARASI GAP MATEMATİK MÜHENDİSLİK FEN VE …eng.harran.edu.tr/~hbulut/GapAdiyaman2019_1.pdf · 2. ULUSLARARASI GAP MATEMATİK- MÜHENDİSLİK-FEN VE SAĞLIK BİLİMLERİ

2. ULUSLARARASI GAP MATEMATİK- MÜHENDİSLİK-FEN VE SAĞLIK BİLİMLERİ KONGRESİ 21-23 Haziran 2019

ADIYAMAN

www.gapzirvesi.org 1 Tam Metin Kitabı

HİBRİT TİP HAVALI GÜNEŞ KOLLEKTÖRÜNÜN CFD ANALİZİ

CFD ANALYSİS OF THE HYBRİD TYPE SOLAR AİR COLLECTOR

Öğr. Gör. İbrahim SANCAR

Adıyaman Üniversitesi, Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu, Makine ve Metal

Teknolojileri Bölümü, Adıyaman, [email protected]

(Sorumlu Yazar)

Prof. Dr. Hüsamettin BULUT

Harran Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Osmanbey

Kampüsü, Şanlıurfa, [email protected]

Prof. Dr. Refet KARADAĞ

Adıyaman Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Adıyaman.

[email protected]

Doç. Dr. İsmail HİLALİ

Harran Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Osmanbey

Kampüsü, Şanlıurfa. [email protected]

ÖZET

Havalı güneş kollektörleri, kurutma ve ısıtma gibi uygulamalarda kullanılan termal güneş

enerjisi sistemlerinin temel elamanlarından biridir. Alternatif enerji kaynağı olarak güneş

enerjisinden daha fazla faydalanmak için kollektör çeşitleri ve yapıları, farklı bağlantı ve akış

şekilleri ile termal kollektörlerin faz değişim materyalleri (PCM) ile birlikte kullanımı üzerine

çalışmalar yapılmaktadır. PV panellerde ise tasarım parametreleri, güneş takip sistemleri,

PV/Termal sistemleri, performans ve verimlilik üzerine çalışmalar devam etmektedir. Bu

çalışmada; bifacial PV panel (çift yüzlü PV) ve faz değişim malzemeleri ile bütünleştirilmiş ve

jet çarpmalı yeni nesil havalı güneş kollektörünün; nümerik (CFD; Hesaplamalı Akışkanlar

Dinamiği) analizi Autodesk CFD ile yapılmıştır. CFD analizi için havalı güneş kollektörün 3D

modeli Solidworks’ta oluşturulmuştur. Hibrit tip havalı güneş kollektörün sahip olduğu her bir

bölümüne ait hız ve sıcaklık dağılımlarına ilişkin sonuçlar grafiklerle verilmiştir. PV bölümün

kolektörde havayı ön ısıtmaya tabi tuttuğu ve jet çarpmanın hava çıkış sıcaklığında önemli

etkisi olduğu belirlenmiştir.

ANAHTAR KELİMELER: Havalı Güneş Kollektörü, Bifacial PV, Hesaplamalı Akışkanlar

Dinamiği, Faz Değişim Malzemeleri, Jet Çarpma

ABSTRACT

Solar air collectors are one of the basic elements of thermal solar systems used in applications

such as drying and heating. In order to make more use of solar energy as an alternative energy

source, collector types and structures, different connection and flow patterns and the use of

thermal collectors together with phase change materials (PCM) are being studied. In PV panels,

design parameters, solar tracking systems, PV/Thermal systems, performance and efficiency

studies are continuing. In this study; numerical analysis of jet impact State-of-the-art studies of

solar air collectors the integrated with bifacial PV panel and phase change materials awas

performed with Autodesk CFD. The 3D model of the solar air collector for CFD analysis was

created at Solidworks. The results of velocity and temperature related each section of the hybrid

type solar air collector are given by graphs. It was determined that the PV section preheated the

air and jet impact had significant effect on air outlet temperature in the collector.

KEYWORDS: Solar air collectors, Bifacial PV, CFD, Phase Change Material, Jet İmpact

mailto:[email protected]






ADIYAMAN


1. GİRİŞ Güneş kollektörü, binaların ısıtılması, soğutulması, endüstriyel bitkilerin kurutulması, elektrik

üretimi ve sıcak su üretimi gibi uygulamalarda kullanılan temel elemanlardan biridir. Son

zamanlarda havalı güneş kollektörleri üzerine yapılan akademik çalışmalar; genellikle

kollektörlerin yapıları, hava akış analizleri ve faz değişim malzemeleri (PCM) ile birlikte

kullanımı üzerine odaklanmıştır. PV panellerde ise tasarım parametreleri, güneş takip

sistemleri, PV/Termal sistemleri, performans ve verimlilik üzerine çalışmalar devam

etmektedir.

2. HİBRİT GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ ÜZERİNE YAPILAN ÇALIŞMALAR

Son zamanlarda yapılan çalışmalarda havalı güneş kollektörlerinin PV paneller, jet çarpma

plakalar ve gizli ısı depolama malzemeleri ile kullanımının araştırıldığı görülmüştür.

2.1. PV/T KOLLEKTÖRLER

PV panellerde güneş ışınımının çoğu, elektrik enerjisine dönüşmez ve hücre sıcaklığının

artması, elektriksel verimi düşürür. PV panel sıcaklığını düşürmek için son yıllarda PV

panellerin tek başına kullanılmasına bir seçenek olarak aynı anda elektrik ve ısı enerjisi

üretebilen, bir PV modülün soğutma donanımı ile birlikte kullanıldığı hibrit güneş pili/termal

kollektör (PV/T) sistemleri üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır. PV/T kullanımı binaların

çatısında daha az yer kaplayarak hem alan tasarrufu sağlamakta, hem de elektik enerjisinin yanı

sıra sıcak su veya sıcak hava ihtiyacını da karşılamaktadır. Günümüz teknolojisinde kullanılan

PV hücreler güneş enerjisini %20’den daha düşük bir verimle elektrik enerjisine

dönüştürmektedir. Gelen güneş enerjisinin %80’inden fazlası çevreye atılır [1].

Standart PV panellerden farklı olarak, bifacial PV panellerde alt ve üst yüzeylerde PV hücresi

bulunmaktadır. Panelin arka yüzeyine yansıyan toplam ışınım, çevreden yansıyan ve

yarısaydam modülden geçen ışınımın kombinasyonudur. Böylelikle bifacial panel standart bir

PV ile aynı miktarda Silisyum kullanarak ve daha az fiziksel alanla standart bir hücreden daha

fazla enerji üretmeye izin verir. Monofacial modüller ile karşılaştırıldığında bifacial modülün

verimi panelin arka tarafındaki güneş ışınımının kalitesi ve dönüşüm verimliliğine bağlıdır.

Bifacial PV panellerde arka yüzey, daha az kızılötesi ışınım emdiği için daha az ısınır ve

dolayısıyla daha yüksek elektriksel verimlilikte çalışır [2]

PV/T Kollektör eşzamanlı olarak güneş enerjisinden elektrik ve ısı üreten bir fotovoltaik ve bir

termal (PV/T) kollektörün kombinasyonudur. PV/ T‘ nin bu ikili kombinasyonu daha yüksek

enerji dönüşümü sağlayarak daha fazla güneş enerjisinin kullanımını sağlar. Bir PV modülüne

gelen güneş enerjisinin çoğu hücrelerin sıcaklığını yükselttiğinden modülün veriminde

azalmaya neden olur. Yüksek bir elektriksel çıktı için bu fazla ısının atılması gerekir. PV/T

teknolojisi düşük ve orta sıcaklıkta uygulamalar için bu atık ısının bir kısmını kullanır [2].

Hegazy [3], dört farklı tasarım kullanarak karşılaştırmalı bir çalışma gerçekleştirmiştir. Bu dört

tasarım Şekil 1’ de görüldüğü gibi hava akış kanalının a) yutucu plakanın üstünde b) yutucu

plakanın altında c) yutucu plakanın her iki tarafında ve d) çift geçişli biçimlerden oluşmaktadır.

Simülasyon sonuçları elektriksel ve termal verim açısından b ve d kombinasyonlarının benzer

olduğunu ve en iyi performansın a. konfigürasyonda elde edildiğini göstermiştir.

Agrawal ve ark. [4] tarafından, camlı PV/T hava kollektörü için Temmuz 2010-Haziran 2011

boyunca açık günlerde deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Şekil 2’ de camlı hibrit PV/T hava

kollektörü şematik olarak görülmektedir. PV modüller 0.54 m 1.12 m ölçülerinde 0.002 m

derinlikte dikdörtgen PVC hava kanalı üzerine monte edilmiştir. PV modül tarafından üretilen

ortalama gücün 141,4 W olduğu, DC fan tarafından tüketilen gücün 21.3W olduğu görülmüştür.


ADIYAMAN


Şekil 1. PV/T kollektörlerin kesit görünümü Şekil 2. Camlı hibrit PV/T hava kollektörü

Kumar ve ark. [5] alt kanalında dikey kanat bulunan çift geçişli PV/T hava kollektörün

performansını araştırmışlardır. Alt kanalda dikey kanat bulunması, hava kanalının derinliği,

akış hızı, giriş havası sıcaklığı ve paketlemenin termal ve elektriksel verim üzerine etkisini

değerlendirmişlerdir. Genişletilmiş kanat alanı, hücre sıcaklığını 82 oC' den 66 oC' ye

düşürmüştür. Kanat eklenmesi, termal ve elektriksel verimi sırayla %15.5 ve %10.5 arttırmıştır.

En yüksek termal çıkış 0.12 kg/s hava debisinde olmuştur. PV/T kollektörünün toplam eşdeğer

termal elektrik verimliliği yaklaşık % 17 artmıştır.

Agrawal ve ark [6]. camlı kare hava kanallı PV/T, camsız kare hava kanallı PV/T ve geleneksel

düz hava kanallı PV/T hava kollektörün performans analizini karşılaştırmışlardır.(Şekil 3).

Camsız PV/T hava kollektörün yıllık termal ve exerji kazanımının camlı PV/T ‘ ye kıyasla %

27 ve % 29.3 ve geleneksel PV/ T hava kolektörüne kıyasla % 61 ve % 59,8 daha yüksek olduğu

bulunmuştur. Ayrıca camlı ve camsız kare hava kanallı PV/T kollektörün exerji verimi

geleneksel düz hava kanallı hibrit PV/T hava kollektörüne kıyasla % 9.6 ve% 53.8 daha fazla

olduğu gözlemlenmiştir.

Dubey ve ark. [7], New Delhi‘ de ( A tipi: PV modülün alt ve üstünde cam olan hava kanallı,

B tipi: PV modülün alt ve üstünde cam olan hava kanalı olmayan, C Tipi: PV modülün üstünde

cam altında mat plaka bulunan hava kanallı ve D Tipi: PV modülün üstünde cam altında mat

plaka bulunan hava kanalı olmayan) Dört farklı konfigürasyonu deneysel olarak

incelemişlerdir. Şekil 4’ te a)Camdan cama ve b) camdan mat yüzeye hava kanallı kollektör

kesit görünümü görülmektedir. 4 model arasında A tipi PV/T hava kollektörünün daha yüksek

çıkış havası sıcaklığının yanı sıra daha yüksek elektriksel verime sahip olduğu gözlenmiştir. A

ve B tipi kollektörlerin yıllık ortalama verimi sırayla % 10.41 ve % 9.75 olmuştur.

Şekil 3. a) kare kanallı b) düz kanallı kollektör[6]. Şekil 4 Camdan a) cama ve b) mat yüzeye

Kamthania ve ark. [8] tarafından, mahal ısıtması için çift geçişli yarısaydam PV/T hava

kollektörünün performans değerlendirmesini yapmışlardır. Yıllık termal ve elektrik enerjileri


ADIYAMAN


sırasıyla 480.81 kW h ve 469.87 kW h olduğu bulunmuştur. Sistem tarafından üretilen yıllık

toplam termal enerji 1729.84 kWh olarak hesaplanmıştır. Oda havası sıcaklığının tipik bir kış

günü için ortam hava sıcaklığından yaklaşık 5-6 oC daha yüksek olduğu görülmüştür.

Joshi ve ark [9] tarafından, Hindistan'ın dört iklim koşulu için hibrit PV/T paralel plakalı hava

kolektörünün performansları araştırılmıştır. Şekil 5’ de bir PV/T hava kolektörünün şematik

diyagramı görülmektedir. Her biri 0.61 m2'lik etkin alana sahip iki PV modülü seri olarak

bağlanmıştır. PV modülü tedlar olarak bilinen modülün arkasındaki film plakanın altına hava

kanalı ile bir ahşap yapıya monte edilmiştir. Tedlar, PV modülüne daha iyi destek sağlamak

için güneş pili altında kullanılan korozif olmayan bir yalıtım malzemesidir. Sonuçlar, PV/T

hava kollektörünün anlık enerji ve ekserji verimliliğinin sırasıyla % 55-65 ve % 12-15 arasında

değiştiğini göstermiştir.

Sarhaddi ve ark [10], bir PV/T hava kollektörünün performansını incelemişlerdir. Tipik bir

PV/T hava kolektörünün termal ve elektriksel parametrelerini, ekserji elemanlarını ve ekserji

verimliliğini hesaplamak için ayrıntılı bir enerji ve ekserji analizi yapmışlardır. PV/T hava

kollektörünün termal verimliliği sırasıyla % 17.18, elektriksel verimliliği, % 10,01, toplam

enerji verimliliği % 45 ve ekserji verimliliği % 10.75 olduğu görülmüştür.

Poorya Ooshaksaraei ve ark. [11] bifacial PV/T güneş kollektörlerinin dört yeni tasarımını

karşılaştırmışlardır. Çalışmaları kararlı durum koşulunda termodinamiğin birinci ve ikinci

yasalarına göre yapmışlardır. Dört modelin deneysel ve teorik olarak enerji çıkışlarını

karşılaştırmışlardır.2, 3 ve 4. Modellerde elektriksel verimin cam kapak tarafından emilim ve

yansıma nedeniyle 1. ye göre daha düşük olduğu görülmüştür. Elektrik enerjisi 0,03- 0,14 kg/s

hava akış hızında termal enerji ile karşılaştırıldığında çok fazla etkilenmediği görülmüştür. 2

modelde 4. modele göre alt kanala daha düşük sıcaklıkta hava girdiği için enerji verimliliği

daha yüksek olmuştur.

Şekil 5. PV/T hava kolektörü şematik görünümü Şekil 6 a) Tek geçişli b) Paralel çift geçişli c) çift

geçişli karşı akışlı d) çift geçişli geri dönüşlü [11]

Xingshu Sun ve ark. [12] kapsamlı bir modelleme yaparak bifasial güneş modülleri

optimizasyonunu araştırmışlardır. Yapılan araştırmaya göre toprak kaynaklı bifasial modüllerin

kazanımları dünya çapında % 10'dan azdır. Yapılan çalışmada yansıma oranının 0,5'e

yükseltilmesi ile yerden 1 m yüksekliğindeki modüller,% 30'a kadar bifasiyal kazancı

artırabileceği görülmüştür. Zemine monte edilmiş, dikey, doğu batı cepheli bifasial güneş

modüllerinin 0.5 yansıma oranında 30o eğim altında %15 e kadar performans gösterecekleri

görülmüştür.

Xingshu Sun ve ark. [13] kapsamlı bir modelleme yaparak bifacial güneş modülleri

optimizasyonunu araştırmışlardır. Yapılan araştırmaya göre toprak kaynaklı bifacial modüllerin

kazanımları dünya çapında % 10'dan azdır. Yapılan çalışmada yansıma oranının 0,5'e


ADIYAMAN


yükseltilmesi ile yerden 1 m yüksekliğindeki modüller,% 30'a kadar bifacial kazancı

artırabileceği görülmüştür. Zemine monte edilmiş, dikey, doğu batı cepheli bifacial güneş

modüllerinin 0.5 yansıma oranında 30o eğim altında %15 e kadar performans gösterecekleri

görülmüştür.

2.2. JET ÇARPMA PLAKALI HAVA KOLLEKTÖRLERİ

Brideau ve Collins [14] Fotovoltaik/Termal (PV/T) güneş kollektöründen oluşan hibrit bir

sistemde çarpma jetleri kullanarak emici plaka ile hava arasında yüksek bir ısı transfer katsayısı

elde etmek için prototip bir model geliştirmişlerdir. Yapılan deneysel çalışmada modellerinin

doğruluğuna zamanın ve hava kütle etkisi incelenmiştir. Genel olarak, yaptıkları modelin

nispeten doğru sonuçları verdiği bulunmuştur.

Chauchan ve Thakur [15], deney seti şematik görünümü Şekil 7’ de görüldüğü gibi yaptığı

çalışmada kollektör yutucu yüzey alt kısmına yatay olarak döşedikleri delikli plakanın alt

kısmından vakum etkisi ile havayı emiş yaparak delikli plakadan geçirerek üstteki 1000 W/m2

üniform ısı akısı ile absorber plakaya çarptırarak, yutucu plakanın sürtünme faktörü ile ısı

transferini incelemişlerdir. Bu deneysel çalışmada delikli plakadaki delik çaplarını, deliklerin

plaka üzerindeki konumlarını ve açıklık aralıklarını incelemişlerdir. Deneyleri 3800-16000

Reynold Sayısı aralığında Türbülanslı akışta yapmışlardır. Elde ettikleri verileri paralel akışlı

havalı güneş kollektörleri ile karşılaştırmışlardır. Deneysel çalışma sonucunda sürtünme

faktörünün ısı iletimini 2.67- 3.5 kat arasında etilediğini görmüşlerdir. Ayrıca deneysel veriler

ile ilişkili olarak Nusselt sayısı ve sürtünme faktörü arasındaki korelasyonları geliştirmişlerdir.

Matheswaran ve ark. [16] yaptıkları deneysel çalışmalarında şekil 8’ de görüldüğü gibi tek

geçişli tek kanallı ve çift kanallı jet plakalı havalı güneş kollektörü imal etmişlerdir. Yutucu

plakanın alt tarafında jet çarpma plakasının altından hava emilerek jet deliklerden geçirilerek

yutucu plakaya çarptırılarak, öte yandan yutucu yüzey üzerindeki pürüzlü yüzeyden hava

geçirilerek, yutucu yüzey üstünden ve altından geçirilen hava birleştirilerek farklı hava

debilerinde sistemin ısıl performans analizini yapmışlardır. Sonuçta tek geçişli tek kanallı

havalı güneş kollektörlerine göre etkin verimliliğin % 21.2 ve ekserji verimliliğinin %22.4

arttığını gözlemlemişlerdir. İstenilen sıcaklığa erişmek için optimum jet plaka değerlerini

tanımlamak için tasarım grafikleri hazırlamışlardır. Farklı hava akış hızları ve jet plakadaki

delik çaplarının ısıl verime etkisini sunmuşlardır. Ayrıca Reynolds sayısı ve jet plakanın ekserji

verimliliğini tahmin etmek için Analitik sonuçlar kullanılarak korelasyonlar geliştirmişlerdir.

Şekil 7. Jet çarpma plakalı hava kollektörü Şekil 8. jet plakalı kollektörde hava geçişleri

Miroslaw Zukowski [17], sınırlı hava giren bir jet hava yuvasının termal performansını

belirlemek için yaptığı deneysel çalışmada çarpma etkisi için bir adert nozul kullanmıştır.

Deneysel çalışma sonunda nozulun meme genişliği, plaka aralığının ve Reynold sayısının


ADIYAMAN


Nusselt sayısı üzerine etkisini araştırmıştır. Darbe jetleri kullanan havalı güneş kollektörünün

veriminin yüksek olduğunu ve en iyi modelini geliştirmeye yardımcı olabileceğini sunmuştur.

Şekil 9. Jet çarpma için kullanılan nozulun şematik görünüşü

2.3. GİZLİ ISI DEPOLAMALI HAVA KOLLEKTÖRLERİ

Enerji depolama; daha sonra kullanılmak üzere bir depolama sistemine enerji verilmesi şeklinde

özetlenebilir. Termal enerji depolama (TED), bir malzemenin soğutulması, ısıtılması,

eritilmesi, katılaştırılması veya buharlaştırılması ile enerjinin depolanması; işlem tersine

çevrildiğinde de depolanan bu enerjinin kullanılması şeklinde tanımlanabilir. TED; bina ısıtma,

sıcak su, soğutma-iklimlendirme, sera ısıtma, kurutma gibi alanlarda farklı uygulamalarda

kullanılmaktadır. Depolamada kullanılacak malzemenin yüksek enerji yoğunluğuna yani

yüksek depolama kapasitesine sahip olması, ısı transferi için kullanılacak akışkan ile depolama

malzemesi arasında uygun ısı transferi, depolama malzemesinin mekanik ve kimyasal

kararlılığı ve depolama süresince ısıl kayıpların önlenmesi TED sistem tasarımında dikkat

edilmesi gereken temel parametrelerdendir

Isıl enerji depolamada, temelde duyulur ve gizli ısı depolama yöntemleri bulunmaktadır. Faz

değiştiren malzemeler (FDM), katı maddelere göre daha fazla enerji depolamaları ve

dolayısıyla daha küçük depolama hacmine ihtiyaç duyduklarından, gizli ısı depolama

sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Organik FDM’ ler arasında parafin kolay

ulaşılabilir olması sebebiyle ısıl depolama uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Parafin

kullanımının olumsuz tarafı ise; erime-donma (şarj-deşarj) işlemleri esnasında ısıl iletkenliğinin

düşük olması nedeniyle ısı transfer hızının da düşük olmasıdır. Parafinin ısıl iletkenliğini

arttırmak için uygulanan birçok yöntem bulunmaktadır [18].

Dincer [19], termal enerji depolama sistemlerinin tanımlanması, değerlendirilmesi ve

kullanılmasının ele alındığı çalışmasında; bu sistemlerin ekonomik yönlerini, çevresel

faktörlerini ve enerji tasarrufu potansiyellerini incelemiştir. Farklı uygulamalar ve örneklerin

araştırıldığı çalışmada özellikle duyulur ısı depolamanın önemi vurgulanmış, uluslararası

olarak en ekonomik ve pratik enerji depolama tekniği olarak kabul edildiği ifade edilmiştir.

Çalışmada ele alınan uygulamaların enerji ve ekserji analizi yapılmış olup, duyulur bir ısı

depolama sisteminin etkinliğinin ekserji analizi ile daha gerçekçi ve anlamlı ölçülebileceği

belirtilmiştir. Alva vd. [20] tarafından yapılan çalışmada farklı ısıl enerji kaynakları bağlamında

TED’ in rolü ve fosil yakıt ihtiyacını nasıl azalttığı açıklanmıştır. Güneş enerjisi üretimi, bina

termal konforu ve diğer uygulamalarda TED kullanımının incelendiği çalışmada termal enerji

depolama alanının önemi üzerinde durulmuştur. Ayrıca aktif ve pasif TED sistemlerinin tasarım

parametreleri, işletme sorunları ve maliyet modeli analiz edilmiştir. TED kullanımın en önemli

amaçlarından biride bina enerji tüketimini azaltmaktır.

Yılmazoğlu [21]. yaptığı çalışmada TED yöntemlerinden; sıvılarda, katılarda, mevsimsel,

kimyasal ve faz değiştiren maddelerde depolama hakkında bilgi vermiş ve bina

uygulamalarında bu yöntemlerin seçiminde dikkat edilmesi gereken noktaları belirtmiştir.


ADIYAMAN


Bouadila ve diğ. [22] gizli enerji depolama havalı güneş kollektörünün performansını

incelemek için deney seti inşa etmiştir. Termodinamiğin hem birinci hem de ikinci yasasını

kullanarak Enerji ve ekserji verimliliklerini Kapalı/Açık ve Açık çevrim modunda

hesaplamışlardır. Deney sonuçları, kollektörün, şarj modu sırasında güneş ışımasının

dalgalanmasına bakılmaksızın, gece 11 için deşarj işlemi boyunca 200 W / m2'lik faydalı bir

ısıda kaldığını göstermiştir. Kollektörün net günlük enerji verimliliği açık çevrim modunda %

35, kapalı açık çevrimde % 32 ile% 45 arasında değişirken, günlük ekserji verimliliği %13 ile

% 25 arasında değişmektedir. Şekil 10’da görüldüğü gibi, siyah bir kaplamaya sahip küresel

kapsüllerden oluşan bir paketlenmiş yatak emiciden oluşmuştur.

Alkilani ve diğ. [23] deşarj işlemi sonrası çıkış havası sıcaklığını tahmin etmek için PCM’ li

havalı güneş kollektörü üzerinde çalışmışlardır. Çalışma, Şekil 11’de şematik görünümü verilen

sistemde 0.05–0.19 kg/ s aralığında 8 farklı debide yapılmıştır. Sistemde tek bir cam kapak ve

herbiri absorber gibi davranan silindirlere bölünmüştür. Silindirler boyunca rejim şartlarında

hava akışı olmaktadır. PCM %0.5’ i alüminyum tozu olan parafinli balmumundan

oluşturulmuştur. Başlangıçta sıvı fazında (50 °C) olan PCM güneş simülasyonu ile 28 °C de

oda sıcaklığında silindirler üzerine hava pompalanana kadar ısıtılmıştır. Her bir debide önemli

bir faktör olan donma zamanı incelenmiştir. Donma süresinin hava akış hızıyla ters orantılı

olduğu görülmüş ve en uzun donma süresi (yaklaşık 8 saat) 0.05 kg/s'lik bir debide

gerçekleşmiştir.

Şekil 10. Gizli enerji depolamalı hava kollektörü. Şekil 11. PCM silindirli bir hava kollektörü

El-Khadraoui ve diğ.[24] yaptıkları deneysel çalışmada Faz Değişimli Malzeme (PCM)

kullanan dolaylı tip konveksiyonlu bir güneş kurutucu tasarlamışlar (şekil 12). Kurutma sistemi

kurutma maddesinin doğrudan ısıtılması için bir havalı güneş kollektörü ile bir güneş enerjisi

akümülatöründen (PCM oyuklu güneş hava toplama cihazı) ve bir kurutma odasından

oluşmaktadır. Şarj etme ve boşaltma işlemlerini değerlendirmek için, deneyleri gündüz ve gece

gerçekleştirmişlerdir. Güneş enerjisi akümülatörünün günlük enerji verimliliği% 33.9' a

ulaşırken, günlük ekserji veriminin % 8.5'e ulaştığını, güneş enerjisi akümülatörünü

kullandıktan sonra kurutma bölmesinin sıcaklığının tüm gece 4 ° C ila 16 ° C arasında ortam

sıcaklığından daha yüksek olduğunu ve kurutma odasındaki bağıl nemin, ortam bağıl

neminden% 17- 34.5 daha düşük olduğunu belirtmişlerdir.

Navarro ve diğ [25] yaptıkları çalışmada biri katlar arası klasik döşeme olan diğerinde de

döşeme olukları arasında PCM kullanılan iki hücreli bir yapı inşa etmişlerdir. Bu teknolojinin

(güneş enerjisi ve PCM) bina tasarımına entegrasyonunda amaç, enerji tüketiminin

azaltılmasıdır. Döşeme, depolama birimi ve ısıtma kaynağı olarak kullanılan, makro kapsüllü

PCM ile dolu 14 kanallı, prefabrike bir beton elemandan oluşturulmuştur. Deneysel çalışma

sonunda geleneksel bir ısıtma sistemine kıyasla, enerji tüketimini azaltma konusunda döşeme

olukları arasında PCM kullanılan beton levhanın yüksek potansiyeli olduğuna vurgu

yapmışlardır.


ADIYAMAN


Şekil 12. 1) Güneş Enerji Akümülatörü 2) havalı güneş kollektörü 3 ) kurutma odası

2.4. HAVA KOLLEKTÖRLERİNDE CFD ANALİZLERİ

Al-abidi ve ark. [26] PCM' lerde ısı transferini incelemek için CFD programları kullanarak

sayısal modelleme üzerine çalışmalar yapmışlardır. Boulemtafes ve ark [27] enine engelli bir

hava kollektöründe ısı transferinin CFD analizini yapmışlardır.

Sharma ve Thakur [28] tarafından yapılan çalışmada yutucu plakanın altında 60 O eğimli V

şekilli yapay pürüzlü yutucu plakalı hava kollektörünün ısı transferi ve sürtünme kaybı

özelliklerini araştırmak için CFD analizi yapmışlardır. Çalışmaları sonucunda 1) CFD

analizleri, ısı transferinin artışında akışkandaki dönme hareketi, akışkanın ayrılması ve tekrar

birleşmesi kombine etkisinin olduğunu öngörmüştür.2) Pürüzlülük yüksekliği (e / D) ve göreli

pürüzlülük aralığının tüm kombinasyonları için Reynolds sayısındaki artışla sürtünme

faktörünün azaldığı, Nusselt sayısının arttığı görülmüştür.3) çalışma sonucunda havalı

kollektörlerde yüksek ısı transferi sağlamak için V şekilli pürüzlülük önerilmiştir.

Bhagoria [29], hava kollektörü kanalında yutucu plakanın altında kare kaburga şeklindeki

pürüzlülüğü olan kollektörde FLUENT 6.2 kullanarak bir hesaplama analizi gerçekleştirmiştir.

İki boyutlu hesaplama alanı ve alan üzerindeki üniform mesh alanı şekilde görülmektedir.

Yaptığı çalışmada ısı transfer hızının artmasında, türbülanslı akışının etkisinin olduğunu

bulmuştur. En yüksek Nusselt sayısını, diğer pürüzsüz kanal ve engelsiz yutucu plakaların P /

e değerleriyle kıyasladığında P/e=14 te kare kesitli pürüzlülükte bulmuştur. Pürüzlü

kollektörlerin pürüzsüz kollektörlerden iki kat daha fazla verimli olduğunu gözlemlenmiştir.

Yapay pürüzlülük, sürtünme faktörü ve Nusselt sayısında artışa sebep olmuştur.

Kumar ve ark. [30] çalışmasında havalı kollektörde dikdörtgen kanaldaki hava akışının ısı

geçişi ve sürtünme özellikleri üzerine CFD tabanlı analiz sonuçlarını sunmuştur. Yapılan

çalışmada v-kabukların pürüzsüz yüzey üzerinde, ısı transferi ve sürtünme kayıplarında önemli

artış olduğunu göstermiştir. CFD model sonuçları atmosferik hava x-ekseni boyunca dikdörtgen

kanalda girdiğini, türbülanslı bölgede parçacıkların hızının yüzeye yakın yerlerde neredeyse

sıfıra yakın olduğunu, Bu bölgede parçacıkların düşük kinetik enerjiye sahip olduğunu

göstermiştir. Bu bölge ısı transferinde bir bariyer gibi davranan laminer akışın olduğu alt

tabakadır.

Elbahjaoui ve ark.[31] tarafından yapılan çalışmada ısı depolama tankının CFD analizi yapılmış

olup; katı-sıvı ara yüzeyin zamanla değişimini grafiklerle sunmuşlardır.

Yapılan literatür araştırmasında havalı ve sulu olmak üzere PV/T kollektörler, jet çarpmalı

kollektörler, farklı yutucu plakalı kollektörler ve gizli ısı depolamalı kollektörler üzerine


ADIYAMAN


çalışmaların mevcut olduğu ve son yıllarda bu çalışmaların sayısında hızlı bir artış olduğu

görülmüştür. Ancak bifacial PV entegreli, gizli ısı depolamalı ve jet çarpmalı sistemlerden

oluşan hibrit hava kollektörleri üzerine çalışmaların olmadığı görülmüştür. Bu çalışmada;

bifacial pv entegreli, gizli ısı depolamalı ve jet çarpmalı hibrit hava kollektörlerinden oluşan

hibrit tip bir havalı kollektörün numerik analizinin yapılması amaçlanmıştır.

3. MATERYAL

3.1. HİBRİT TİP HAVALI GÜNEŞ KOLLEKTÖRÜ

Bu çalışmada, bifacial PV panel, faz değişim malzemesi, düz yutucu plakalı ve jet çarpmalı

havalı güneş kollektörün entegre edilmesinden oluşan yeni nesil enerji depolamalı hibrit

kollektörün elektriksel ve termal verimliliğini artırmak ve en uygun konfigürasyonu belirlemek

amacıyla CFD analizini yapmak için yeni nesil havalı güneş kollektörlerinin CFD analizi (hava

akışını, ısı transferi, sıcaklık dağılımı) için kollektörün Şekil’ de görülen 3B modeli

Solidworks’ de oluşturulmuştur. Daha sonra model PV/Termal, Jet çarpma plakalı ve Isı

Depolama olmak üzere 3 bölüm olarak 5m/s hava hızında Autodesk CFD yazılımı ile numerik

analizi yapılmıştır. CFD analizde laminer metod kullanılmıştır.

Şekil 13. CFD analiz için tasarlanan hibrit tip havalı güneş kollektörü

3.1.1. PV/TERMAL BÖLÜMÜ

Hibrit kollektörün bu bölümünde Bifacial PV panel, önerilen sistemde havanın ön ısıtılmasında

ve hava hareketi için gerekli enerjiyi sağlaması hedeflenmektedir. Faz değişim malzemesi de

sıcaklığın düzgün dağılımı ve sistemin sürekli çalışmasını sağlayacaktır. Hava, PV panelin

sıcaklığını düşüreceğinden bifacial PV panel daha fazla enerji üretecektir.

Şekil 14. PV/T Bölümü

3.1.2. JET ÇARPMA PLAKALI BÖLÜM

Havalı güneş kollektörlerinin termal verimi, havanın ısıl kapasitesinin azlığı nedeni ile nedeni

ile düşük çıkmaktadır. Termal verim gelen güneş ışınımı, yutucu plakadan ısı kaybı, hava ile

yutucu plaka arasında ısı iletim katsayısı gibi parametrelere bağlıdır. Kollektöre gelen güneş

ışınımının yoğunluğunun artması ve kollektörden ısı kayıplarının azaltılması ile havalı güneş

kollektörlerinin termal verimi arttırılabilir. Isı iletim katsayısını arttırmak için hava akış kanalı


ADIYAMAN


geliştirilebilir. Tasarlanan havalı kollektörde, ısı transferini arttırmak için mat yüzeyli ve bakır

malzemeli düz yüzeyli yutucu plaka ve altında paslamaz çelik nozul delikli jet çarpma plakası

bulunmaktadır (Şekil 15).

Şekil 15. Jet Çarpma Plakalı Termal Bölüm

3.1.3. ISI DEPOLAMA BÖLÜMÜ

Gizli ısı depolama malzemesi olarak parafin sistem üzerinde analiz edilmiştir. Nümerik analiz

sonuçları ile teorik olarak en uygun hibrit hava kollektörü tasarım geometrilerini belirlenmesi

hedeflenmiştir.

Şekil 16. Hibrit hava kollektörü gizli ısı depolama yatağı görünümü

3.2. HİBRİT TİP HAVALI GÜNEŞ KOLLEKTÖRÜNÜN CFD ANALİZİ

3.2.1. PV/TERMAL BÖLÜMÜ

Şekil 17’ de hibrit hava kollektörünün PV/Termal Bölümü CFD analizinde hesaplanan mesh

yapısı Şekil 18’ de, 25 oC sıcaklık ve 5m/s hava giriş hızı ile yapılan numerik analiz sonucunda

hız vektörleri görülmektedir. Şekil 19’ da ise PV/Termal bölümüne ait sıcaklık dağılımı

görülmektedir. Bifacial PV panelin yüzey sıcaklığının kollektöre giren havanın ısı çekmesi

yardımıyla düştüğü ve dolayısıyla havanın ön ısınmış olduğu görülmüştür. Ortalama çıkış hava

sıcaklığının 45 oC olduğu belirlenmiştir.

Şekil 17. PV/Termal bölümü mesh yapısı


ADIYAMAN


Şekil 18. PV/T Hız Vektörü (hava giriş hızı 5m/s) Şekil 19. PV/T sıcaklık dağılımı

3.2.2. JET ÇARPMA PLAKALI TERMAL BÖLÜMÜ

Yapılan teorik ve deneysel çalışmalarda havanın jet çarpma plakala nozullarından geçirilerek

yutucu plakaya çarptırılması neticesinde yutucu plakanın havaya sürtünme faktörünün ve

dolayısıyla ısı transferinin arttığı görülmüştür. Şekil 20 a’da termal bölüme ait hız dağılımı ve

b)sıcaklık dağılımı görülmektedir. Havanın 5m/s giriş hızı ve 25 OC giriş sıcaklığında laminer

metod ile yapılan analiz sonucunda termal bölüm çıkış sıcaklığının ortalama 90 OC’ ye çıktığı

görülmektedir.

Şekil 20. Hibrit kollektör termal bölümü a) hız dağılımı) b)sıcaklık dağılımı

3.2.3. ISI DEPOLAMA BÖLÜMÜ

Bu bölümde 5 m/s giriş hızı ve havanın termal kollektörde 70 OC’ ye tam ısınmış olduğu

kabulüyle yapılan analize ait hız ve sıcaklık dağılımı şekil 21-22’ de görülmektedir. Sıcaklık

dağılımının PCM üzerinde aynı görülmesinin sebebi analizin zamana bağlı değilde sürekli rejim

şartlarında yapılmış olmasındandır. Nihayetinde Hibrit kollektörün bu bölümünde sıcaklık her

yerde aynı değere (70 OC’ ) sahip olmuştur.


ADIYAMAN


Şekil 21. gizli ısı depolama yatağı hız dağılımı Şekil 22. gizli ısı depolama yatağı sıcaklık dağılımı

4. SONUÇ VE ÖNERİLER Yapılan bu numerik çalışmada elektriksel verimleri ihmal edilen ısı depolamalı hibrit bir PV/T

sistemi tasarlanarak termal analiz yaklaşımı ele alınmıştır. Yapılan numerik analiz sonucunda

PV/T sistemlerinde ısı iletim katsayısı yüksek olan metaller kullanılırsa geleneksel sistemlere

göre daha verimli olacağı görülmüştür.

Ayrıca PVT sistemlerin sıcaklığa bağlı elektriksel verimlerindeki azalmayı engellemeye

yönelik sonraki çalışmalarda panel yüzeyine mikro kanal yapılması, ısı transferini artırma etkisi

oldukça yüksek yeni malzemelerden alüminyum veya Bakır köpük malzemelerin kullanılması

ve farklı dizilimlerinin etkilerinin incelenmesi gerekliliği sonucuna varılmıştır.

Isı depolama malzemeleri arasında kullanımı en yaygın olan maddelerden olan parafinin ısıl

iletkenliğinin düşük olması nedeniyle erime-donma (şarj-deşarj) işlemleri esnasında ısı transfer

hızı da düşük olduğundan parafine nanopartikül eklemeler yapılarak deneysel ve numerik

çalışmaların yapılması gerekmektedir.

İleriki çalışmalarda, ele alınan kollektörde numerik analizi yapılan bölümler bütünleşik bir

şekilde ve birbirine etkisi olacak şekilde analiz edilecektir.

5. KAYNAKLAR [1] Huang, B. J., Lin, T. H., Hung, W. C., Sun, F. S. 2001. “Performance Evaluation Of Solar

Photovoltaic/Thermal Systems”, Solar Energy, 70(5), 443-448

[2] J. Appelbaum, Bifacial photovoltaic panels field, Renew. Energy 85 (2016) 338- 343.

[3] Hegazy Adel A. Comparative study of the performances of four photovoltaic/ thermal solar

air collectors. Energy Convers Manag 2000;4: 861–81.

[4] Sanjay Agrawal, G.N. Tiwari. Exergoeconomic analysis of glazed hybrid photovoltaic

thermal module air collector. Solar Energy 86 (2012) 2826–2838

[5] Rakesh Kumar, Marc A. Rosen. Performance evaluation of a double pass PV/T solar air

heater with and without fins. Applied Thermal Engineering 31 (2011) 1402-1410

[6] Sanjay Agrawal, G.N. Tiwari. Overall energy, exergy and carbon credit analysis by

different type of hybrid photovoltaic thermal air collectors. Energy Conversion and

Management 65 (2013) 628–636

[7]. Swapnil Dubey, G.S. Sandhu, G.N. Tiwari. Analytical expression for electrical efficiency

of PV/T hybrid air collector. Applied Energy 86 (2009) 697–705

[8]. Deepali Kamthania, Sujata Nayak, G.N. Tiwari. Performance evaluation of a hybrid

photovoltaic thermal double pass facade for space heating. Energy and Buildings 43 (2011)

2274–2281

[9]. Anand S. Joshi, Arvind Tiwari. Energy and exergy efficiencies of a hybrid photovoltaic–

thermal (PV/T) air collector. Renewable Energy 32 (2007) 2223–2241


ADIYAMAN


[10] F. Sarhaddi, S. Farahat, H. Ajam, A. Behzadmehr. Exergetic performance assessment

of a solar photovoltaic thermal (PV/T) air collector. Energy and Buildings 42 (2010) 2184–

2199

[11] Poorya Ooshaksaraei, Kamaruzzaman Sopian, Saleem H. Zaidi, Rozli Zulkifli.

Performance of four air-based photovoltaic thermal collectors configurations with bifacial solar

cells. Renewable Energy 102 (2017) 279-293.

[12] Xingshu Sun, Mohammad Ryyan Khan, Chris Deline, Muhammad Ashraful Alam.

Optimization and performance of bifacial solar modules: A global perspective. Applied Energy

212 (2018) 1601–1610

[13] Xingshu Sun, Mohammad Ryyan Khan, Chris Deline, Muhammad Ashraful Alam.

Optimization and performance of bifacial solar modules: A global perspective. Applied Energy

212 (2018) 1601–1610

[14] Sebastien A. Brideau, Michael R. Collins. Development and validation of a hybrid

PV/Thermal air based collector model with impinging jets. Solar Energy 102 (2014) 234–246

[15] Ranchan Chauchan, N.S. Thakur. Heat transfer and friction factor correlations for

impinging jet solar air heater. Experimental Thermal and Fluid Science 44 (2013) 760–767

[16] Matheswaran M.M. , Arjunan T.V., Somasundaram D., Analytical Investigation of Solar

Air Heater with Jet Impingement using Energy and Exergy Analysis, Solar Energy Manuscript

Draft, SE-D-17-02206

[17] Miroslaw Zukowski. Heat transfer performance of a confined single slot jet of air

impinging on a flat surface International Journal of Heat and Mass Transfer 57 (2013) 484–490

[18]. Hüsamettin Bulut, Yunus Demirtaş. Farklı Oranlarda Al2o3 Nanopartikül Katkılı

Parafinin Isıl Depolamada Kullanılması. 1. Uluslararası Harran Multidisipliner Çalışmalar

Kongresi 2019. 134-45

[19] Dincer, I., & Rosen, M. (2002). Thermal energy storage: systems and applications. John

Wiley & Sons.

[20] Alva, G., Lin, Y., & Fang, G. (2018). An overview of thermal energy storage systems.

Energy, 144, 341-378.

[21] Yılmazoğlu, M. Z. (2010). Isı Enerjisi Depolama Yöntemleri ve Binalarda Uygulanması.

Politeknik Dergisi, 13(1), 33-42.)

[22] Bouadila Salwa, Kooli Sami, Lazaar Mariem, Skouri Safa, Farhat Abdelhamid.

Performance of a new solar air heater with packed-bed latent storage energy for nocturnal use.

Appl Energy 2013;110:267–75.

[23] Alkilani Mahmud M, Sopian K, Alghoul MA, Sohif M, Ruslan MH. Review of solar air

collectors with thermal storage units. Renew Sustain Energy Rev 2011;15: 1476–90

[24] Aymen El Khadraoui, Salwa Bouadila, Sami Kooli, Abdelhamid Farhat, Amenallah

Guizani. Thermal behavior of indirect solar dryer: Nocturnal usage of solar aircollector with

PCM. Journal of Cleaner Prodüction 148 (2017) 37-48


ADIYAMAN


[25] Navarro L, Gracia A., Castell A.and Cabeza L. F., 2016. Experimental study of an active

slab with PCM coupled to a solar aircollector for heating purposes, Energy and Buildings 128

(2016) 12–21

[26] Abduljalil A.Al-abidi , Sohif Bin Mat, K.Sopian, M. Y. Sulaiman, Abdulrahman Th.

Mohammed, 2013. CFD applications for latent heat thermal energy storage. Renewable and

Sustainable Energy Reviews, 20 (2013) 353–363.

[27] A.Boulemtafes, Boukadoum.2014. A. Benzaoui, CFD Based Analysis of Heat Tansfer

Enhancement in Solar Air Heater Provided with Transverse Rectangular Ribs. Energy Procedia

50; 761 – 772

[28] Sharma AK, Thakur NS. CFD based fluid flow and heat transfer analysis of a V-shaped

roughened surface solar air heater. Int J Adv Eng Technol 2012; 4 (5): 2115–21.

[29] Bhagoria JL. 2013. CFD analysis of square ribs on the absorber plate of solar air collector.

In: Proceedings of the 2nd international conference on mechanical, electronics and

mechatronics engineering (ICMEME'2013), 17–18, London (UK)

[30] Raj Kumar, Vıswamohan Pedagopu, Anıl Kumar, Robın Thakur & Anıl Pundır. CFD

Based Analysıs Of Heat Transfer And Frıctıon Characterıstıcs Of Broken Multıple Rıb

Roughened Solar Aır Heater Duct. International Journal of Mechanical and Production

Engineering Research and Development (IJMPERD). Vol. 3, Issue 5, Dec 2013, 165-172

[31] Radouane Elbahjaoui, Hamid El Qarnia, Abdelouahed Naimi. Thermal performance

analysis of combined solar collector with triple concentric-tube latent heat storage systems.

Energy & Buildings 168 (2018) 438–456

[32] Radziemska, E. (2003). The effect of temperature on the power drop in crystalline silicon

solar cells. Renewable Energy, 28(1), 1-12.

[33] Rahman, M. M., Hasanuzzaman, M., & Rahim, N. A. (2015). Effects of various

parameters on PV-module power and efficiency. Energy Conversion and Management, 103,

348-358.

Documents

2. ULUSLARARASI GAP MATEMATİK MÜHENDİSLİK FEN VE …eng.harran.edu.tr/~hbulut/GapAdiyaman2019_1.pdf · 2. ULUSLARARASI GAP MATEMATİK- MÜHENDİSLİK-FEN VE SAĞLIK BİLİMLERİ